Use of Titanium Oxide (TiO2) to Decompose Ethylene during Storage of Horticultural Crops

Use of Titanium Oxide (TiO2) to Decompose Ethylene during Storage of Horticultural Crops Abstract (English) Ethylene (C2H4) is a naturally occurring substance that acts as plant hormone on many horticultural and ornamental crops. It accelerates senescence, stimulates chlorophyll loss, enhances excessive softening, promotes discoloration and browning. These effects could be beneficial or detrimental, depending on the degree of quality changes on fruits and vegetables tissues. Among the techniques used to remove or inhibit ethylene action during postharvest handling of fresh products (potassium-based system, high temperature catalytic oxidation, inhibition of ethylene receptor), the use of titanium oxide (TiO2)-based materials with photocatalytic activity under UV light is one of the most promising. Use of TiO2 may represent an innovation in the postharvest field, due to its high oxidizing capacity, low cost and non-toxicity. In this study several materials were synthesized and tested for photocatalytic activity, and mesoporous mixed SiO2/TiO2 nanocomposite (80% of TiO2 and 20% of SiO2) showed the best light-dependent oxidant activity resulting in its complete elimination from the atmosphere in a closed system. Ethylene reduction rate increased when the contact time between C2H4 and the photocatalyst was prolonged. Mature green tomatoes were exposed to ethylene-enriched atmosphere mixture treated or not with SiO2/TiO2 and UV light. Photocatalytical destruction of ethylene by titanium oxide resulted in a slower ripening trend of the tomato berries as showed by pericarp reduced color evolution. The developed material would be suitable for postharvest handling of whole or fresh-cut fruits and vegetables in order to prolong their shelf-life. To decompose ethylene in storage room atmosphere, a fluidized bed photoreactor was designed and the relative prototype was manufactured. Its functionality was tested with different support material and actual photocatalytic activity was tested using SiO2/TiO2-coated alumina microspheres. A reduction of about 70% of ethylene concentration in the tested gas mixture was observed. However, the fluidization regime caused strong collisions between the coated microparticles causing a tendency of the coated powdered photocatalytic material to separate from its support that causing a progressive partial blocking of the reactor filters which resulted in a reduced flow rate and lower bed height. Hence a need to better refine photoreactor efficieny, in order to make it suitable for use in presence of possibly high quantity of powder separating from its support due to unavoidable collisions during the fluidization state. Abstract (Italian) L’etilene è una sostanza che agisce come ormone su una moltitudine di colture orticole ed ornamentali. Agisce sui tessuti vegetali accelerandone l’invecchiamento, stimolando la perdita di clorofilla ed il rammollimento, e favorendo l’imbrunimento. Queste modifiche possono risultare dannose, in relazione al tipo di prodotto ed all’entità dell’effetto sul tessuto vegetale. Tra le tecniche utilizzate per rimuovere l’etilene dalle celle di stoccaggio di prodotti vegetali freschi o per inibire la sua azione (permanganato di potassio, ossidazione catalitica ad alta temperatura, inibizione dei recettori), l’utilizzo di materiali a base di biossido di titanio (TiO2) ad attività fotocatalitica risulta essere una delle metodologie più promettenti. Lo sviluppo di tali materiali potrebbe rappresentare un’innovazione nel campo delle tecnologie postraccolta, data la sua alta capacità ossidante nei confronti dell’etilene, il basso costo e la non tossicità. Nel corso di questo studio, sono stati sintetizzati diversi materiali ed è stata testata la loro attività fotocatalitica. I materiali nanocompositi a base di SiO2 (20%) e TiO2 (80%) hanno mostrato la più alta attività catalitica nei confronti dell’etilene sotto l’effetto di luce ultravioletta. Tale attività aumenta all’aumentare del tempo di contatto tra il materiale e la miscela arricchita in etilene, fino alla sua completa eliminazione. Pomodori verdi sono stati trattati con etilene sottoposto o meno al trattamento con la polvere fotocatalitica e i raggi UV. La riduzione fotocatalitica dell’etilene è risultata nel rallentamento della maturazione delle bacche e minor cambiamento di colore dell’epicarpo. Il materiale sviluppato risulta dunque essere utilizzabile per l’applicazione postraccolta su vegetali interi o fresh-cut con lo scopo di prolungarne la vita commerciale. Per degradare l’etilene all’interno delle celle di stoccaggio, è stato sviluppato e realizzato un prototipo di fotoreattore a letto fluido. Il suo funzionamento è stato valutato testando diversi materiali di supporto per le polveri fotocatalitiche, mentre l’attività fotocatalitica è stata monitorata utilizzando microsfere di allumina ricoperte di polvere a base di SiO2 e TiO2. è stata osservata una riduzione della concentrazione di etilene del 70% circa, ma il regime di fluidizzazione ha comportato forti collisioni tra le particelle costituenti il letto fluido, provocando il distacco della polvere che le ricopriva. Tale polvere ha quindi causato il progressivo intasamento dei filtri e la successiva riduzione del grado di fluidizzazione e dell’altezza del letto fluido stesso. Ulteriori miglioramenti dell’efficienza del prototipo sono dunque necessari al fine di renderlo utilizzabile in azienda.